石墨烯纳米材料(论文)
《应用胶体化学》论文大作业
——石墨烯纳米材料
姓名：杨晓
学号：200900111143
年级：2009级
2011-12-11
摘要：石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它自 2004 年发现被以来，成为凝聚态物理与材料科学等领域的一个研究热点。石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文简要介绍了石墨烯的性能特点、制备方法，着重对石墨烯纳米复合材料进行了介绍，对石墨烯纳米材料的制备方法、理化性质、国内外研究进展、石墨烯纳米材料的优缺点及应用前景进行了详细介绍。
关键词：石墨烯纳米材料复合物特性制备应用
目录
引言 (4)
一石墨烯纳米材料的理论与实际意义 (4)
二石墨烯纳米材料的国内外研究现状及比较分析 (5)
2.1 石墨烯纳米材料的国内外研究 (5)
2.1.1 国外研究 (5)
2.1.2 国内研究 (8)
2.2 石墨烯纳米材料的国内外研究比较分析 (11)
三文献中石墨烯纳米材料的研究方案 (11)
3.1 聚乳酸/ 纳米羟基磷灰石/ 氧化石墨烯(PLA/n-HA/GO)纳米复合膜的制备及生物性 (11)
3.1.1 实验试剂 (11)
3.1.2 PLA/n-HA/GO纳米复合膜的制备 (11)
3.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备及催化氧还原性能[43] (12)
3.2.1 试剂和仪器 (12)
3.2.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备 (12)
3.3 石墨烯的制备和改性及其聚合物复合的研究进展[44] (12)
3.3.1 石墨烯的制备 (12)
3.3.2 制备聚合物基复合材料 (14)
3.4 石墨烯/聚合物复合材料的研究进展[45] (14)
3.4.1 石墨烯的制备 (14)
3.4.2 石墨烯/聚合物复合材料的制备 (15)
3.5 石墨烯的合成与应用[46] (16)
3.5.1 微机械分离法（micromechanical cleavage） (16)
3.5.2 取向附生法———晶膜生长（eqitaxial growth） (16)
3.5.3 加热SiC的方法 (17)
3.5.4 化学分散法 (17)
四结合胶体理论与性质比较分析各种石墨烯纳米材料的优缺点 (17)
4.1 石墨烯 (17)
4.2 氧化石墨烯 (18)
4.3 石墨烯/无机物纳米材料 (18)
4.4 石墨烯/聚合物纳米材料 (18)
五展望石墨烯纳米材料的应用前景 (18)
参考文献 (20)
引言
石墨烯自2004年被发现以来，因其优异的电学、力学、热学、光学等性能，已经深深地影响了物理、化学和材料学领域，被广泛应用于复合材料、纳米电子器件、能量储存、生物医学和传感器等范围，表现出巨大的潜在应用前景。
石墨烯是近年来发现的新型碳纳米材料，它基本具有碳材料的所有优点，而且还拥有更高的比表面积和导电率，能够克服碳纳米管的一些缺陷，使其成为了一个非常理想的纳米组合成分来制备石墨烯的复合材料。自从石墨烯被发现以来，越来越多科学家开始关注基于石墨烯的复合材料的研究。目前，石墨烯的复合材料己在催化、储能、生物医药等领域展现出优越的性质和潜在的应用价值。例如，将石墨烯添加到高分子中，可以提高高分子材料的机械性能和导电性能；通过石墨烯与许多不同结构和性质的纳米粒子进行复合，制备出新型石墨烯-纳米粒子纳米杂化体，可以提高这些粒子在储能、催化、传感器、光电等领域的应用性能等等。这些复合物的制备也拓宽了石墨烯材料的研究领域，使得石墨烯材料更有利于实际应用。
一石墨烯纳米材料的理论与实际意义
石墨烯本身作为一种新型碳纳米材料，由于其特殊的结构特性使其在电学、力学、热学、光学等方面具有优异的性能，如量子霍尔效应、量子隧穿效应等。由于具有独特的纳米结构和优异的性能，石墨烯可应用于许多的先进材料与器件中，如薄膜材料、储能材料、液晶材料、机械谐振器等；石墨烯是单层石墨，原料易得，所以价格便宜，不像碳纳米管那样价格昂贵，因此石墨烯有望代替碳纳米管成为聚合物基碳纳米复合材料的优质填料。
而在石墨烯中引入其他物质制成的复合物称为石墨烯纳米复合材料。石墨烯纳米复合材料主要分为两类：石墨烯/无机物纳米材料和石墨烯/聚合物纳米材料。目前制备的石墨烯纳米复合材料并不多, 主要是因为石墨烯既不亲水也不亲油, 反应活性不高, 使得对它进行改性比较困难, 从而导致与其它材料复合也比较困难。现在制备石墨烯纳米复合材料主要是先让氧化石墨与其它材料复合, 再将其中的氧化石墨还原得到石墨烯纳米复合材料; 或者用改性过的石墨烯与其它材料复合。
石墨烯纳米复合材料是在石墨烯的基础上添加上具有特定性能的聚合物或无机物，使其在某一方面或某几方面具有更加优异的特性。这使得它在很多领域都有广阔的应用前景。石墨烯的优秀特性加上聚合物或无机物而形成的石墨烯纳米复合材料将实现高效、经济、环保等技术追求，这将迎来材料界的新革命。
二石墨烯纳米材料的国内外研究现状及比较分析
2.1 石墨烯纳米材料的国内外研究
近年来，石墨烯纳米材料由于其在电学、力学、热学、光学等方面具有优异的性能，称为国内外研究的宠儿，已成为材料、化学、物理等众多领域研究的热点。
2.1.1 国外研究
①石墨烯的研究
2004 年，曼彻斯特大学 Geim［1］等即采用机械法从高定向热解石墨( HOPG) 上剥离出单层石墨烯。他们在 HOPG 表面用氧等离子刻蚀微槽，并用光刻胶将其转移到玻璃衬底上，用透镜胶带反复撕揭，尔后将玻璃衬底放入丙酮溶液中超声清洗，并在溶液中放入单晶硅片，单层石墨烯会在范德华力作用下吸附到硅片表面。后来机械法简化为直接用胶带从 HOPG 上揭下一层石墨，然后在胶带之间反复粘贴，石墨片层会越来越薄( 其中包含单层石墨烯) ，再将胶带贴在衬底上，单层石墨烯就转移到衬底上了。
Novoselov等［2］用微机械分离法制备了石墨烯。他们研究发现用另一种材料膨化或引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，这些晶体中含有单层的石墨烯。
Bunch 等［3］将天然石墨絮片在二氯苯溶液中超声处理，然后将溶液滴在表面附着氧化膜的硅晶片上，用异丙醇进行洗涤，再在氮气中晾干，可以得到单层石墨烯片层形成的几纳米厚的膜。
Meyer 等［4］将微机械分离法制得的含有石墨烯硅晶片放在经过刻蚀的金属架上，用酸将硅晶片腐蚀去除，制备出由金属架支撑的悬空的单层石墨烯，此外用TEM发现单
层石墨烯并不是平整的平面，而是有5～10nm高度的褶皱。
Meyer 等［5］还研究了单层和双层石墨烯表面的褶皱程度，发现单层石墨烯表面褶皱明显大于双层石墨烯，并且随着石墨烯层数的增加褶皱程度越来越小，最后趋于平滑。
Schleberger 等［6］用微机械分离法在不同绝缘晶体基底上(SrTiO
3，TiO
2
，Al
2
O
3
和
CaF
2等)制备出石墨烯，所制得的石墨烯单层厚度仅为0.34nm，远低于在 SiO
2
基底上制
备得到的石墨烯。
Srivastava 等［7］用微波增强化学气相沉积法在Ni包裹的Si衬底上生长出了20 nm 厚的石墨烯，并研究了微波功率对石墨烯形貌的影响。研究发现，微波功率越大，石墨烯片越小，但密度更大;且发现石墨烯片中含有较多的Ni元素。
Dato等［8］研究了一种新型等离子体增强化学气相沉积法，用乙醇作为碳源，利用Ar 等离子体合成了石墨烯。
Kim 等［9］用电子束蒸发的方法在SiO
2
/ Si衬底上沉积了厚度小于300 nm 的Ni薄膜，再把样品放人石英管中，Ar作为保护气体，加热至1000℃，然后通入甲烷、氢气与氩气的混合反应气体，利用氩气使样品以10℃/s 的速率迅速降到室温。研究发现: 此种方法生长的石墨烯呈现一些皱褶，皱褶使得石墨烯的存在更加稳定，降温速率对抑制更多层碳薄膜的形成和石墨烯从衬底上分离起着关键作用。
Reina 等［10］在用化学气相沉积法在多晶 Ni 薄膜表面制备了尺寸可达到厘米数量级的石墨烯。
Ruoff［11］用化学气相沉积法在Cu箔基底表面上制备了大面积、高质量的石墨烯，且主要为单层石墨烯。
Schniepp 等［12］用浓盐酸、浓硝酸及过量的氯酸钾作为氧化剂，使鳞片石墨充分氧化 96h，尔后在充满氩气的容器中以大于2000℃/min迅速升温至1050℃，含氧基团产生二氧化碳将石墨片层与片层剥离开。剥离开的氧化石墨表面积高700～1500m2/g，单层氧化石墨直径约500nm，层厚1.1nm。
Stankovich 等［13］研究了化学还原剥离的氧化石墨制备石墨烯薄片。研究发现: 石墨烯片具有和初始石墨相似的性质，且比表面积高;氧化石墨烯经还原后会产生不饱和
的、共轭的碳原子，使电导率显著增加，因此还原后的氧化石墨烯可应用于储氢材料或作为电传导填充料应用在复合材料领域。
Li 等［14］通过用氨水调节溶液pH值，控制石墨层间的静电作用，制备出在水中稳定分散的石墨烯悬浮液，其电导率达到7200S/m。
Si 等［15］通过间歇性还原制备了水溶性的石墨烯，即先用 NaBH4对氧化石墨进行部分还原，然后在部分还原的氧化石墨上引入苯磺酸基团，再用水合肼进行彻底的还原得到石墨烯。该方法制备的石墨烯在浓度为2mg/mL以下时能够稳定分散在pH 为3～10的水中。
②石墨烯/聚合物复合材料
Stankovich 等［17］将经过化学修饰的石墨烯在聚合物中以分子尺度分散制备出石墨烯－聚合物复合材料。该复合材料具有较低的导电渗阈值，在体积分数为0.1%时下即可导电。在石墨烯体积分数为1%时，复合材料的电导率达0.1S/m，2.5%时达1S/m。
Ramanathan 等［19］研究了功能化的石墨烯聚合物纳米复合材料。研究发现: 石墨烯的加入有助于克服聚合物粒子之间的相互作用，可提高聚合物的模量、强度、玻璃化转变温度和热分解温度，其效果与单壁碳纳米管相当；如加入1wt%的石墨烯薄片，聚丙烯腈的玻璃化转变温度提高40℃，在加入 0.05wt%石墨烯薄片，聚甲基丙烯酸甲酯玻璃化转变温度提高近 30℃。
Ansari 等［21］用热还原得到的石墨烯与聚偏二氟乙烯在 DMF 溶液中进行复合，样品经热压成型制备得到石墨烯/聚偏二氟乙烯纳米复合材料。研究发现：热还原得到的石墨烯有利于聚偏二氟乙烯形成β型晶体；样品比纯聚偏二氟乙烯的热稳定性要好；含石墨烯 4%的复合材料弹性模量比纯聚偏二氟乙烯提高了近2倍；石墨烯/聚偏二氟乙烯纳米复合材料的电渗滤阈值仅为2%，其电阻率随温度的升高反而降低，而通过石墨超声剥离而得到的石墨烯与聚偏二氟乙烯的复合材料电阻率随温度的升高而升高。
③石墨烯/无机物复合材料
Watcharomne 等［22］用溶胶－凝胶法制备了石墨烯/SiO2纳米复合材料，研究发现: 导电率和石墨烯的添加量有关(导电率在(8.0±0.9)×10－4S/cm～(045±0.06)S /cm，对应的添加量为3.9%～11wt% )，而且经 400℃热处理后的样品导电率增大; 氧化石墨烯/SiO
纳米复合材料的透射率很好，氧化石墨烯经还原后复合材料的透射率减小。
2
Ryan 等［23］制备出石墨烯/金纳米复合材料，研究发现 Au 纳米粒子在石墨烯片上分散极好，可以应用在催化剂、光电材料、磁性材料等领域。
Paek 等［24］制备出石墨烯－SnO
2
复合材料，研究发现：石墨烯能够起到电子传递通道的作用，该复合材料提高了锂离子电池负极材料的比容量和循环稳定性，其比热容可
以达到810mAh·g-1，而纯 SnO
2的比热容为550mAh·g-1；石墨烯－SnO
2
复合材料在循
环30次以后，比容量仍可保持到 570mAh·g-1，而纯SnO
2
的比容量在循环15次以后就会降到只有60 mAh·g-1。
2.1.2 国内研究
①石墨烯的研究
张辉等［26］采用室温下吸附乙烯结合高温退火的方法在 Ru( 0001) 表面上制备了单层石墨烯，并利用 STM、XPS 和 UPS研究了石墨烯的生长过程以及石墨烯的表面形貌
和结构。
牛亮等［27］在 Si/SiO
2
衬底上将磁控溅射镍膜作为催化剂，利用化学气相沉积制备了大面积连续的石墨烯薄膜，得到的石墨烯为1～15层，并将石墨烯薄膜转移到玻璃衬
底和 Si/SiO
2
衬底上，测量了薄膜的可见光透过率和薄膜电阻，讨论了石墨烯作为透明导电电极在光电器件上的应用。
Geng 等［16］研究了纳米石墨薄片和石墨烯薄片的制备方法: 先将天然石墨片用超声波在甲酸中直接进行剥离，再经过2个步骤：1）纳米石墨片( GNPs) 化学氧化变成氧化石墨薄片( GONPs)；2）氧化石墨薄片化学还原成石墨烯；用已制备出的 GNPs 可以得到稳定分散在水中的石墨烯。
陈成猛等［28］研究了有序石墨烯导电炭薄膜的制备，采用 Hummers法合成氧化石墨，在水中超声分散获得氧化石墨烯水溶胶，通过微滤法使氧化石墨烯片定向流动组装，制得氧化石墨烯薄膜，再通过化学还原和热处理使所制氧化石墨烯薄膜脱氧，可制得电导率为184.8S/cm 的石墨烯导电炭膜。
杨常玲等［29］研究了石墨烯的制备及其电化学性能，发现氧化石墨在水溶液中可剥
离成单片层结构，石墨烯聚集物比表面积为 358m2/ g，在 10 mA 恒流下充放电，比电容为138.6F/g，充放电容量效率为98%。以 5～50mV/s扫描速率进行循环伏安测试，石墨烯电极表现出良好的双电层电容器性能。
谢普等［30］用Hummers 法将天然鳞片石墨制备成氧化石墨，用联氨对其还原，制备出石墨烯，发现制备的石墨烯具有无序的晶型、长厚比大等特点。
②石墨烯/聚合物复合材料
张好斌［31］等对微孔 PMAA/石墨烯导电纳米复合材料进行了研究，发现极少量均匀分散的石墨烯即能显著改变材料泡孔结构，与纯发泡材料相比，石墨烯含量仅为 0.1wt% 的微孔 PMAA/石墨烯纳米复合材料，其泡孔直径由37.2±12.5μm 减小到 8.12±2．3μm，泡孔密度则从9.87×107个/cm3增大到7.27×109个/cm3，增长了近 2 个数量级，为制备综合性能优异的微孔发泡材料提供了基础。
Fan等［18］利用石墨烯的高比表面积和高电子迁移率，制备了聚苯胺石墨烯复合物，该复合物的比电容达到1046F/g，远高于纯聚苯胺的比电容115F/g。
Xu 等［25］制备了石墨烯－金属(Au、Pt、Pd)纳米复合物。研究发现石墨烯－Pt复合材料可作为直接甲醇燃料电池的阳极催化剂。
黄毅等［32］通过溶液共混制备了石墨烯增强的聚氨酯复合材料和聚乙烯醇( PVA) 复合材料。研究发现：在石墨烯含量为1%时，聚氨酯复合材料的强度提高75%，弹性模量提高120%；而添加 0.7wt%的石墨烯，聚乙烯醇复合材料的拉伸强度就提高76%，弹性模量增加 62%。利用石墨烯复合薄膜材料制备了红外光诱导的驱动器，该器件具有优异的光驱动性能及循环稳定性。
杨波等［33］研究了石墨烯/苯丙乳液复合导电膜，研究发现：石墨烯质量分数为 5%时，能够均匀分散，复合导电膜的表面电阻率达到0.29 Ω·cm；增加石墨烯用量，会产生团聚，表面电阻率略有升高; 复合导电膜中添加少量纳米银颗粒，导电性提高2个数量级。
③石墨烯/无机物复合材料
/石墨烯复合材料的合成及光催化分解水制氢的活性。研究张晓艳等［34］研究了TiO
2
的光催化分解水制氢活性，在紫外－可见光照射发现: 石墨烯的引入有利于提高 TiO
2
下，TiO
2
/石墨烯复合光催化剂的光解水制氢活性是商业 P25 的光解水制氢活性的近两
倍。复合材料中的石墨烯可传导光照 TiO
2
产生的电子，提高电子空穴对的分离效率，
从而提高紫外－可见光下 TiO
2
/ 石墨烯复合材料的光解水制氢活性。
Liang 等［20］制备了石墨烯(15wt%)/环氧树脂的复合材料，其电磁屏蔽效应基本达到了商业应用要求。
郝亮等［35］研究了石墨烯/氢氧化镍复合材料，研究发现该复合物在放电状态下出现了一个放电平台，复合物具有较大的比电容，在0.25Ag-1的电流密度下，其比电容达到了 1370Fg-1。
张焘等［36］制备了性能优异的 NaNO
3-LiNO
3
/石墨烯复合相变储能材料，并利用 DSC，
MDSC 研究了石墨烯的添加对NaNO
3－LiNO
3
相变热、峰值温度、导热系数等热物性的影
响; 研究发现石墨烯的添加使得混合盐的相变热略有减少，但相变峰值温度降低了
2.16℃，导热系数提高了268.8% 。
吕维强［37］制备了不同负载量的石墨烯－纳米铜(银)复合材料，纳米铜(银)充当层间阻隔物。研究发现：负载纳米铜( 银) 后的石墨烯层间距变大，当铜负载量为 39wt%，其比电容量达到最高值67.95mAh/g，储氢量为0.25%，储氢性能提高，但负载银的样品储氢性能下降。
汤正林［38］研究了SnO
2
－石墨烯复合负极材料。
柏大伟［39］利用水热法制备出石墨烯－Co(OH)
2
复合材料，并探索了其充放电机理，得到首次质量比容量为1519.8 mAh/g、库伦效率70.3%，且具有良好循环稳定的锂离子电池负极材料。
王丽［40］研究了石墨烯/氧化亚锡纳米复合材料在锂离子电池负极材料上的应用，研究发现: 这种材料克服了石墨烯作为负极容量不够理想的问题和氧化亚锡纳米花作为负极容量衰减快的问题，可以作为一种高容量、衰减慢的高性能锂离子电池负极材料。
张琼等［41］研究了氧化钛/氧化石墨烯复合材料的光催化性能，发现采用该复合材料对甲基橙溶液进行紫外光催化降解时，其降解效率η=1.16 mg·min-1·g-1，明显优于同等条件下P25粉的降解率η=0.51mg·min-2·g-1。
2.2 石墨烯纳米材料的国内外研究比较分析
石墨烯纳米材料的研究起源于国外，美国、日本等国家研究较早，技术较成熟，而国内研究相对落后，是近几年才发展起来的，技术相对落后。但最近几年，石墨烯纳米材料的研究在国内外都比较受重视。但是国内外石墨烯纳米材料的研究领域不相同：国外石墨烯纳米材料的研究主要分布在高分子物理学、材料科学及应用物理学等学科范围, 国内石墨烯纳米材料的研究主要分布在材料科学、物理化学、纳米技术等学科范围。同时，国内外对石墨烯纳米材料研究的主要方向不同：国外的研究主要集中在石墨烯纳米材料的导电性、导热性、石墨烯的制备研究及纳米材料研究等方向, 国内的研究主要集中在纳米材料、材料基础及应用研究等方向。
但不管国内外研究有何不同，我们都是在探索石墨烯纳米材料的各种特殊用途，期望研制出更多高效、经济、环保的用途。
三文献中石墨烯纳米材料的研究方案
3.1 聚乳酸/ 纳米羟基磷灰石/ 氧化石墨烯(PLA/n-HA/GO)纳米复合膜的制备及生物性能研究[42]
3.1.1 实验试剂
PLA 颗粒，济南岱罡生物有限公司，黏均分子量26万；纳米羟基磷灰石，南京埃普瑞纳米材料有限公司，平均粒径20nm，纯度 99%；高纯石墨粉(325目)用于制备氧化石墨烯；M C3T 3-E1 成骨细胞，上海细胞研究所；RPM I1640 培养基，美国 GIBCO 公司；标准胎牛血清，杭州四季青；胰蛋白酶，Sigma 公司；PBS 液(配制)；浓硫酸、高锰酸钾均为AR级。
3.1.2 PLA/n-HA/GO纳米复合膜的制备
氧化石墨烯依据改性的Hummer法制备，用浓硫酸、高锰酸钾等作为氧化剂，在冰水浴中对高纯石墨粉进行氧化，再经洗涤干燥制得氧化石墨烯。用N,N二甲基甲酰胺(DMF)
及二氯甲烷(CHCl
2
)双溶剂体系(体积比为 4:6)，在超声粉碎机的作用下制备PLA/H A/GO 混合溶液(PLA与HA质量比为9:1，GO所占PLA质量分数分别为1% 、3% 、5%)。将一定量的PLA、PLA/n-HA、PLA/n- HA/GO混合铸膜液在洁净的硅片上浇铸成膜，待溶剂挥发完全后于60O C烘箱干燥24h，再真空干燥24h即得PLA/n-HA/GO纳米复合膜。
3.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备及催化氧还原性能[43]
3.2.1 试剂和仪器
金属钠(重庆博艺化学试剂有限公司，分析纯)；四氯乙烯(天津市光复精细化工研究所，分析纯)；液体石蜡、丙酮、无水乙醇和乙二醇(重庆川东化工集团有限公司化学
试剂厂，分析纯)；氯铂酸(H
2Pt-C
l6
·6H
2
O，上海精细化工材料研究所，分析纯)；40%Pt/C
催化剂(美国 Johnson-Matthey Corp)；所有溶液均用新鲜的超纯水配制。
荷兰AutoLab公司AutoLab；日本岛津公XRD-6000X射线衍射仪；美国 FEI Tecnai G2 20S-TWIN型透射电子显微镜；北京普析仪器通用有限公司TU-190双光束紫外可见分光光度计。
3.2.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备
于三口瓶中加入2.0g钠，1.0mL四氯乙烯，50mL液态石蜡，搅拌均匀，在氮气氛围下，加热回2h，得到固体物质(Gr)。分别用乙醇、丙酮和超纯水多次洗涤，100O C真空干燥，得到Gr18。Pt/Gr催化剂的制备采用乙二醇回流还原法。将40mgGr，50mL乙二醇，50mL浓度为1.2g·L-1的氯铂酸溶液，超声分散，氮气氛围110O C搅拌冷凝回3 h。将所得到的产物催化剂分别用无水乙醇和超纯水离心洗涤三次60O真空干燥24h。
3.3 石墨烯的制备和改性及其聚合物复合的研究进展[44]
3.3.1 石墨烯的制备
3.3.1.1 机械剥离法
机械剥离法是利用机械力将石墨片层一层一层地进行剥离从而得到单层石墨烯的
方法，如英国曼彻斯特大学的Andre K.Geim等利用一种特殊的胶带将石墨一层一层地进行剥离，由此首先发现了单层的石墨烯。根据研究人员的分析，机械剥离法事以后石墨烯工业化生产的主要方法，在未来十年里将得到较大突破。
3.3.1.2 化学氧化-还原法
石墨烯的化学制备是先将天然石墨氧化成氧化石墨，再把所得到的氧化石墨经过热处理或超声波处理得到单层氧化石墨胶体，利用联氨等强还原剂将其还原。此法是现阶段制备石墨烯和改性石墨烯最成熟的方法，分为氧化石墨的制备和石墨烯的形成2个步骤。
(1)氧化石墨的制备
石墨被强氧化剂氧化后，氧原子进入到石墨层间，使层内的π键断裂，并以羰基、羧基、羟基和环氧基等官能团的形式与密实碳网面中的碳原子结合，形成共价键型石墨层间化合物，即氧化石墨。
氧化石墨的合成方法主要有Brodie法、Staudenmaier法、Hummer法以及电化学氧化法，其中Hummer法所得到的氧化石墨的氧化程度和纯度均较好，对环境污染小且安全性高，也是制备氧化石墨的常用方法。傅玲等将Hummer法进行改良，成功地制备出高质量的氧化石墨，且其反应过程的安全性得到了进一步的提高。
Brodie法是先用发烟硝酸处理天然鳞片石墨，石墨被氧化的同时硝酸离子浸入石墨层间，反应一段时间后投入KClO
4
进一步氧化，随后将反应物投到大量水中进行过滤，水洗至滤液接近中性，干燥，得到最终产品氧化石墨。
Staudemaier法是用浓硫酸和发烟硝酸混合酸对石墨粉进行氧化预处理，再用KClO
4进行深度氧化，所得到的氧化石墨碳层破坏严重，其端面可能也引入了大量羧基等含氧官能团。
电化学法是以Hg/Hg
2SO
4
为电极，将石墨在强酸中进行电解氧化后投入水中，经过
干燥得到氧化石墨。
(2)石墨烯的形成
氧化石墨中间的六圆环上带有环氧基和羟基，片层周围带有羧基和羰基，比天然石墨的层间距大，从0.34nm增加到0.6nm以上，因此弱化了层间的范德华力，为片层的剥离创造了有利前提。氧化石墨经过大于2000O C/min的急剧升温到1050 O C，其官能团
在该环境下分解脱氧放出CO
2和H
2
O，使氧化石墨片层受到破坏，被强制剥离成单层的氧
化石墨。在所得单层氧化石墨片层浆液中加入联氨进行还原，还原机理见下图。与此法
过程类似，Sasha S等利用此法成功的制备出单层石墨烯，但由于片层氧化石墨中间的环氧基脱碳放出CO
造成了结构缺陷。
2
3.3.2 制备聚合物基复合材料
由于石墨烯具有高强度、高电导率、高比表面积，用其对聚合物材料进行改性有望得到高性能的聚合物基复合材料，使复合材料具有高电导率、高强度、高热稳定性并具有一定的阻燃性，进一步扩大聚合物材料的应用范围。
先按照目标制备出表面改性的石墨烯，使其具有亲油或亲水性；再讲改性石墨烯与聚合物材料进行复合制备聚合物基/石墨烯复合材料。改性后的石墨烯可以更好地分散于聚合物基体中。此用途的石墨烯可取代价格昂贵的碳纳米管来填充聚合物，使聚合物基复合材料的性能及因公得到进一步提高。
3.4 石墨烯/聚合物复合材料的研究进展[45]
3.4.1 石墨烯的制备
石墨烯的制备方法主要有三大类: ( 1) 剥离石墨法，即以石墨为原料，采用不同层片剥离技术获得石墨烯，如机械剥离法、氧化还原法、液相剥离法、静电沉积法、淬火法。( 2) 直接生长法，通过引入碳源在一定条件下合成石墨烯，如溶剂热法、有机自组装法、电弧放电法、晶体外延生长。( 3) 碳纳米管转换法，将碳纳米管的管壁沿轴向“切开”，展平后得到石墨烯，此方法产率高，可批量获得尺寸可控、边缘
整齐的石墨烯纳米条带。目前应用于制备聚合物纳米复合材料的石墨烯多采用氧化还原法制备: 先将石墨氧化形成氧化石墨(GO)，然后通过超声分散进行剥离，得到氧化石墨烯，该氧化石墨烯失去了导电性，可通过还原剂还原最后得到石墨烯。常用的还原剂有水合肼、硼氢化钠、氢气等。
3.4.2 石墨烯/聚合物复合材料的制备
根据石墨烯与聚合物共混时的状态，可将石墨烯/聚合物复合材料的制备方法分为熔融共混法、原位聚合法、溶液混合法、乳液混合法。
3.4.2.1 熔融共混法
熔融共混法通常将原始石墨氧化，经过剥离并还原制成石墨烯，与聚合物在熔融状态下共混制得复合材料。Zhang 等将石墨通过氧化、热剥离还原制得石墨烯，采用熔融共混制备了石墨烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料。Kim等以热膨胀法制得的石墨烯为填料，采用熔融共混法制备了石墨烯/聚碳酸酯、石墨烯/聚(乙烯－2 ，6－萘二甲酸) 复合材料。
熔融共混中可以分别制备石墨烯和聚合物，因此石墨烯的尺寸与形态可控，但是石墨烯在聚合物基体中不易分散，与聚合物的界面作用较差。通过化学改性的石墨烯中的有机基团在熔融状态下不稳定，不能应用于熔融共混法。目前熔融共混法采用的石墨烯大多通过热还原制得，这种石墨烯的密度较小，通常也会增加熔融混合的难度。
3.4.2.2 原位聚合法
原位聚合法是将石墨烯与聚合物单体混合，加入引发剂引发反应，最后制得复合材料。Xu 等首先制备了氧化石墨烯，通过对其改性、还原制得高度硫化石墨烯，然后将高度硫化石墨烯与3,4－乙撑二氧噻吩单体、硫酸铁混合引发聚合制得石墨烯/聚(3,4 －乙撑二氧噻吩) 新型复合材料。Lee等通过热膨胀还原 GO 制备了石墨烯，在石墨烯中加入二异氰酸酯、聚己内酯二醇，采用原位聚合制备了石墨烯/水性聚氨酯纳米复合材料。Xu等将氧化石墨烯与己内酰胺混合，在缩聚的过程中，利用氨基己酸将氧化石墨烯还原为石墨烯，最终制备了石墨烯/尼龙6 复合材料。
原位聚合法可以将石墨烯均匀分散在聚合物基体中，缺点是加入石墨烯( 或氧化石墨烯) 的聚合物的黏度增大，使得聚合反应变得复杂。
3.4.2.3 溶液混合法
在溶液共混法中，常常先制备氧化石墨烯，对其进行改性得到在有机溶剂中能够分散的分散液，通过还原得到石墨烯，然后与聚合物进行溶液共混制备石墨烯/聚合物复合材料。Kim 等用异氰酸酯改性氧化石墨烯后还原，然后采用溶液混合法制备了石墨烯/聚氨基甲酸酯混合物。另外也可以先制备氧化石墨烯/聚合物复合材料，通过还原最终得到石墨烯/聚合物复合材料。Stankovich 等用苯基异氰酸酯改性氧化石墨烯后均匀地
分散到 PS 基体中，然后用二甲肼进行还原制备石墨烯/PS 复合材料。
3.4.2.4 乳液混合法
利用氧化石墨烯在水中具有良好的分散性，可将氧化石墨烯的水性分散液与聚合物胶乳进行混合，通过还原制备石墨烯/聚合物复合材料。也可以采用表面活性剂对石墨烯进行表面改性，改善其在水中的分散性，然后与胶乳混合制备复合材料。这种方法可以避免有机溶剂的危害，制得高导电性能的聚合物复合材料。
3.5 石墨烯的合成与应用[46]
鉴于石墨烯极好的结晶性及电学和非凡的电子学、热力学和力学性能，国际上已有越来越多的学者参与到石墨烯的合成与性能的研究，目前石墨烯的合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法——晶膜生长和加热SiC的方法；化学方法是化学分散法。
3.5.1 微机械分离法（micromechanical cleavage）
最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。Novoselov 等用这种方法制备出了单层石墨烯，并验证了其独立存在。即用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。但此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。
3.5.2 取向附生法———晶膜生长（eqitaxial growth）
取向附生法则是利用生长基质的原子结构“种”出石墨烯，但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。Peter W. Sutter 等使用的基质是稀有金属钌，首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“孤岛”布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖80%后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。
3.5.3 加热SiC的方法
Claire Berger 等利用此种方法制备出单层和多层石墨烯薄片并研究了其性能，该方是在单晶6H-SiC的Si-terminated 面上通过热解脱除Si来制取石墨烯。将表面经过蚀刻后的样品在高真空下（UHV: base pressure 1.32×10-8Pa ）通过电子轰氧化或H
2
击加热到1000℃以除掉表面的氧化物（多次去除氧化物以改善表面质量），用俄歇电子能谱确定氧化物被完全去除后，升温至1250-1450℃，恒温1-20min，形成石墨烯薄片，其厚度由加热温度决定。
3.5.4 化学分散法
化学分散法是将氧化石墨与水以1mg/mL的比例混合，用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在100℃回流24h，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。Sasha Stankovich等利用化学分散法制得厚度为1nm左右的石墨烯。
四结合胶体理论与性质比较分析各种石墨烯纳米材料的优缺点
4.1 石墨烯
①电子运输：热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在但石墨烯可以，虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。②导电性：石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。
③机械特性：石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
④电子的相互作用：石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。
⑤化学性质：类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。但它缺乏适用于传统化学方法的样品。
4.2 氧化石墨烯
氧化石墨烯表面有大量的官能团，如羧基、羟基、环氧基，这使得他容易与有机物
结合反应。其官能团在该环境下分解脱氧放出CO
2和H
2
O，使氧化石墨片层受到破坏，被
强制剥离成单层的氧化石墨。与此法过程类似，Sasha S等利用此法成功的制备出单层
石墨烯，但由于片层氧化石墨中间的环氧基脱碳放出CO
2
造成了结构缺陷。
4.3 石墨烯/无机物纳米材料
石墨烯/无机物纳米材料是石墨烯与无机物复合的纳米材料，它兼具石墨烯与复合
的无机物的优良特性。如：①石墨烯/SiO
2
纳米复合材料，它的电导率比石墨烯增大了很多，透射率也很好；②石墨烯/Pt纳米复合材料，它的催化效果比单纯的Pt要好很多，
也可用于制作电极，效果也很好；③石墨烯/TiO
2
纳米复合材料，它的电阻约为原来的1/8，用于电的传输时，可以大大的减少电的损耗。
所以，石墨烯/无机物纳米材料相对石墨烯而言，许多性能更加优异。
4.4 石墨烯/聚合物纳米材料
石墨烯/聚合物纳米材料是石墨烯与聚合物复合的纳米材料，它兼具石墨烯与复合的聚合物的优良特性。如：①改性石墨烯/PMMA纳米复合材料，与PMMA相比，其弹性模量增加了30%，硬度增加了5%；②石墨烯/聚苯乙烯(PS)纳米复合材料，它的电逾渗阀值与相同体积比的单壁碳纳米管(SW CNT)相当，而且分别是SW CNT/聚酰亚胺和SW CNT/聚对亚苯基乙炔基的2倍到4倍；③石墨烯/ 泡沫有机硅纳米复合材料，它与未添加石墨烯的泡沫有机硅相比，石墨烯(0.25%)/泡沫有机硅纳米复合材料的起始分解温度提高了 16O C，热分解终止温度提高了50 O C，而且热降解速率也变慢了。
所以，石墨烯/聚合物纳米材料相对石墨烯而言，许多性能也是更加优异。
五展望石墨烯纳米材料的应用前景
与单壁碳纳米管(SWCNT)类似, 石墨烯具有热、力、电等优异的性能。但聚合物分子不易进入SW CNT内表面, 而氧化石墨烯巨大的比表面积和表面丰富的官能团赋予其
优异的复合性能, 在经过改性和还原后可在聚合物基体中形成纳米级分散,从而使石墨烯片在改变聚合物基质的力学、流变、可渗透性和降解稳定性等方面具有更大的潜力。另外, 由于氧化石墨烯成本低廉, 原料易得, 因而比SW CNT 更具竞争优势。目前国外已有氧化石墨烯/聚合物复合材料的相关专利报道, 应用领域涵盖了能源行业的燃料电池用储氢材料, 合成化学工业的微孔催化剂载体, 导电塑料, 导电涂料以及建筑行业的防火阻燃材料等方面。今后估计在以下三方面将成为石墨烯材料应用研究的热点:
(1) 研究工业化机械剥离 GO制备氧化石墨烯, 为后续的深加工提供稳定优质的原材料。
(2) 通过化学还原或热处理对单片剥离的氧化石墨烯进行脱氧、还原使之重石墨化恢复其导电结构, 以高效的化学方式实现导电石墨烯的制备, 使之可大规模用于信息电子等领域。
(3) 制备以石墨烯为纳米填料的力、电、热增强复合材料及自组装的大面积导电纸状材料以及这些材料的应用研究。同时对氧化石墨烯表面改性以满足其与多种基体的复合。
我国石墨矿产的资源储量大, 质量优, 产量和出口均居世界首位。但相关的石墨深加工技术却较为落后。加大研发力度, 提高产品附加值已迫在眉睫。在 GO、氧化石墨烯和石墨烯的相关研究已取得突破性进展的今天, 这方面尤其值得国内科技界予以关注; 相关部门应投入一定的经费与力量加大研究与开发的力度, 使石墨烯及其复合材料能尽早应用于国民经济的各部门。
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石墨烯论文正稿
石墨烯研究进展 雷洪 （中国矿业大学化工学院江苏徐州 221116） 摘要：石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，由于碳原子组成的特殊结构使得石墨烯拥有一系类特殊性能，包括特殊的导热性质，电学性质，力学性质等等。特殊的性质使得石墨烯有在很多领域发展的潜力，因此引起了科学界的广泛关注，本文介绍了石墨烯的一些制备方法，性质和应用领域。 关键词：石墨烯制备方法特性应用领域 Advances in graphene research LEI hong (China University of Mining and technology，SCET Xuzhou Jiangsu 221116) Abstract：Graphene is a new material consisting of a single layer of carbon atoms sheet structure，Because of the special structure of carbon atoms makes graphene has a series of special class performance，Including special thermal properties，electrical properties and mechanical properties, etc. Special properties make graphene has the potential in many areas of development，so，it attracted wide attention in the scientific community. This article describes some of graphene preparation methods properties and applications. Keywords：graphene preparation methods properties application areas 0引言 自2004年Novoselov，K．S．等使用微机械剥离法从高定向热解石墨上剥离观测到石墨烯（Graphene）以来，碳元素同素异形体又增加了新的一员.随着2010年诺贝尔物理奖颁给英国曼彻斯特大学51岁的俄裔荷籍教授安德烈.海姆和曾是他的博士生36岁的俄裔英、俄双重国籍的教授康斯坦丁.诺沃肖洛夫之后，“石墨烯”这一专业名词突然进入人们的眼帘，其独特的性能和优良的性质引起了研究人员的极大关注，掀起了一波石墨烯的研究高潮。碳原子呈六角形网状键合的材料“石墨烯”具有很多出色的电特性、热特性以及机械特
石墨烯纳米材料及其应用
墨烯纳米材料及其应
二?一七年十二月
摘要 ................. 错误!未定义书签 1引言................ 错误!未定义书签 2石墨烯纳米材料介绍......... 错误!未定义书签 3石墨烯纳米材料吸附污染物...... 错误!未定义书签金属离子吸附........... 错误!未定义书签 有机化合物的吸附......... 错误!未定义书签 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用..… 错误!未定义书签石墨烯基膜............ 错误!未定义书签 采用石墨烯材料进行膜改进..... 错误!未定义书签 石墨烯基膜在脱盐技术的应用??… 错误!未定义书签5展望................ 错误!未定义书签
石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、 较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料 1引言 随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度, 被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。 2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（）。在石墨烯平面内，碳原子以六兀环形式周期性排列，每个碳原子通过C键与临近的二个碳原子相连，S Px和Py三个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构，具有120° 的键角。石墨烯可由石墨单层剥离而产生，最初是通过微机械剥离，使用胶带依次将石墨粘黏成石墨烯来实现。Geim和Novoselov
石墨烯(论文)
石墨烯的制备,特征,性能及应用的研究 内蒙古工业大学化学工程与工艺徐涛 010051 摘要: 石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文介绍了近几年石墨烯的研究进展, 包括石墨烯的合成、去氧化、化学修饰及应用前景等方面的内容。石墨烯由于其特殊的电学、热学、力学等性质以及在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用,引起了科学界新一轮的碳! 热潮。分析了近1 年来发表在Science、Nature 等期刊上的关于石墨烯的论文, 对石墨烯制备、表征及应用方面的最新进展进行了综述, 并对各种制备技术及表征手段进行了分析评价。 关键字: 石墨烯, 制备, 表征, 应用, 石墨烯氧化石墨烯(GO) 功能化石墨烯传感器 碳是最重要的元素之一，它有着独特的性质，是所有地球生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨。碳材料是一种地球上较普遍而特殊的材料, 它可以形成硬度较大的金刚石, 也可以形成较软的石墨. 近20 年来, 碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域, 1985 年发现的富勒烯[1]和1991 年
发现的碳纳米管(CNTs)[2]均引起了巨大的反响, 兴起了研究热潮. 2004 年, Manchester 大学的Geim 小组[3]首次用机械剥离法获得 了单层或薄层的新型二维原子晶体——石墨烯. 石墨烯的发现, 充 实了碳材料家族,形成了从零维的富勒烯、一维的CNTs、二维的石墨 烯到三维的金刚石和石墨的完整体系. 石墨烯是由碳原子以sp2 杂 化连接的单原子层构成的, 其基本结构单元为有机材料中最稳定的 苯六元环, 其理论厚度仅为0.35 nm, 是目前所发现的最薄的二维材料[3]. 石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元, 可以翘曲变成零维 的富勒烯, 卷曲形成一维的CNTs[4-5]或者堆垛成三维的石墨(图1). 这种特殊结构蕴含了丰富而奇特的物理现象, 使石墨烯表现出许多 优异的物理化学性质, 如石墨烯的强度是已测试材料中最高的, 达130 GPa[6], 是钢的100 多倍; 其载流子迁移率达1.5×104 cm2〃V-1〃s-1 [7], 是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2 倍, 超过商用硅片迁移率的10 倍, 在特定条件下(如低温骤冷等), 其迁移率甚至可高达2.5×105 石墨烯的热导率可达5×103W〃m-1〃K-1, 是金刚石的3 倍[. 另外, 石墨烯还具有室温量子霍尔效应(Hall effect)[10]及室温铁磁性[11]等特殊性质. 石墨烯的这些优异性引 起科技界新一轮的“碳”研究热潮, 已有一些综述性文章从不同方面对石墨烯的性质进行了报道.,本文仅根据现有的文献报道对石墨烯 的制备方法、功能化以及在化学领域中的应用作一综述
毕业论文外文翻译-负载银的掺氮石墨烯概论
学号：10401604 常州大学 毕业设计（论文）外文翻译 （2014届） 外文题目Easy synthesis of nitrogen-doped graphene– silvernanoparticle hybrids by thermal treatment of graphiteoxide with glycine and silver nitrate 译文题目通过水热处理氧化石墨烯、甘氨酸和硝酸银 简便地合成掺氮石墨烯-银纳米粒子复合物外文出处CARBON50(2012)5148–5155 学生王冰 学院石油化工学院专业班级化工106 校内指导教师罗士平专业技术职务副教授 校外指导老师专业技术职务 二○一四年二月
通过水热处理氧化石墨烯、甘氨酸和硝酸银简便地合成氮杂石墨烯-银纳米 粒子杂合物 Sundar Mayavan,Jun-Bo Sim,Sung-Min Choi 摘要：氮杂石墨烯-银纳米粒子杂合物在500℃通过水热处理氧化石墨烯（GO）、甘氨酸和硝酸银制得。甘氨酸用于还原硝酸根离子，甘氨酸和硝酸根混合物在大约200℃分解。分解的产物可作为掺杂氮的来源。水热处理GO、甘氨酸和硝酸银混合物在100℃可形成银纳米粒子，200℃时GO还原，300℃时产生吡咯型掺氮石墨烯，500℃时生成吡咯型掺氮石墨烯。合成物质中氮原子所占百分比为13.5%.在合成各种纳米金属粒子修饰的氮杂石墨烯方面，该合成方法可能开辟了一个新的路径，其在能量储存和能量转换设备方面很有应用价值。 1.引言 石墨烯是所有石墨材料的基本构件，其蜂窝状晶格由单层碳原子排列而成。它表现出与结构有关的独特电子、机械和化学性质，具有较高的比表面积（2630-2965m2g-1）[1–3]。化学掺杂杂原子石墨烯像掺杂氮原子，极大地引起了人们的兴趣，因其在传感器、燃料电池的催化剂和锂离子电池的电极等方面具有应用潜力[4–6]。氮原子的掺杂改变了石墨烯的电子特性和结构特性，导致其电子移动性更强，产生更多的表面缺位。氮原子上孤对电子的存在改进了石墨烯的活性和催化性能。在碱性条件下，与已商业化的Pt催化剂相比，掺氮石墨烯（NG）在氧化还原反应（ORR）中活性更高，稳定性更强[5]。因掺氮石墨烯中氮原子电子接受能力较高，其可以创造出碳正粒子促进氧的吸附，所以NG 在ORR反应中表现出较高的活性。Pt纳米粒子负载在NG上比负载未掺杂石墨烯上催化电化学反应时活性和稳定更高。Pt负载在NG上比负载在石墨烯上具有更高的能量密度，因为它增加了NG的导电性，提高了对Pt的吸附力[7]。最近有报道，在NG上长出的CO3O4纳米晶体催化剂具有较高的氧化还原活性[8]，这增加了NG催化剂的应用前景。 NG的合成方法主要有化学气相沉积法（CVD）、在氮前驱体存在的石墨烯弧光放电法、激光烧蚀、氮或氨等离子处理法[9-11]。所有这些合成方法各有特点，但均能耗高、使用昂贵的设备、反应条件苛刻、处理特殊、反应步骤多。本文以氧化石墨烯（GO）为原料，提出了一种简单的合成氮杂石墨烯-Pt纳米粒子杂合物的方法。水热法处理GO、甘氨酸（GLY）和硝酸银制备上述杂合物。甘氨酸作为辅助原料，以减少硝酸根离子的用量，使用甘氨酸-硝酸盐混合物在150~200℃发生分解反应。分解产物作为掺杂氮的来源，同时还原表面氧官能团。与Pt负载在未掺杂石墨烯上，NG-纳米粒子杂合物显示出了良好的活性和电催化稳定性。 2.实验部分 2.1NG-Ag催化剂的合成 先采用改进的Hummers方法以天然石墨粉为原料制备GO。X射线衍射和热重分析法证实所合成物质为氧化石墨烯[12,13]。GO与甘氨酸、硝酸盐（硝酸银或硝酸钯）按重量比1：2：2的比例溶解于水中。混合物超声处理两个小时，然后倒入氧化铝坩埚。在
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纳米石墨烯的特性以及应用 摘要：石墨烯是指从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。在石墨烯中，碳原子之间以σ键相连接，这些σ键赋予了石墨烯极其强大的机械性能；同时，由于碳原子的结合方式为SP2杂化，因此每个碳原子都有一个孤电子，从而赋予了其优秀的导电性。而近年来，纳米石墨烯以及其氧化物，由于自身良好的生物相容性以及较大的表面积，在生物医药等领域的应用取得了极大的进展，本文将简述石墨烯以及其氧化物的特性，并举例分析其在生物载药工厂中的作用。 关键词：纳米石墨烯；纳米氧化石墨烯；生物医药；药物传递 一．纳米石墨烯以及氧化纳米石墨烯自身特性 1.1 纳米石墨烯自身特性 纳米石墨烯与石墨烯的概念容易混淆，但本质上是同一个物质。纳米石墨烯代表的是厚度在纳米级别的石墨烯。一般程度上严格定义的石墨烯都是单层的，而纳米石墨烯则有可能是多层的。纳米石墨烯常常被称为石墨烯纳米片，也被称为碳纳米片（ CNFs ）或碳纳米壁（ CNWs）。人们所熟悉的富勒烯，碳纳米管，石墨等碳材料，本质的基础单元就是石墨烯。 石墨烯最迷人的地方在于它的纯粹。单层原子的结构使得石墨烯具有极薄的性质，但由于碳原子之间强韧的σ键以及整个二维晶体平面的拉伸性能，使得石墨烯同时具有了非常高的强度性能，杨氏模量为1100Gpa，而断裂强度则达到惊人的125Gpa，这样的机械性能使得石墨烯几乎可以被利用在任何需要高强度材料的领域。 而与此同时，石墨烯二维晶体表面流动的孤电子赋予了它优越的导电性能。由于自身电阻率非常小，石墨烯被视为下一个可以取代“硅”的导电原材料，人们希望能制备出具有更高性能的现代计算机芯片或处理器。 1.2 氧化纳米石墨烯自身特性 氧化纳米石墨烯，英文缩写为GO，顾名思义是石墨烯的氧化物。氧化石墨烯保留了原有的层状结构，通过强氧化剂（例如高锰酸钾）开环，使得部分双键断裂，引入了许多含氧的官能团，例如羧基，羟基，环氧基等。这些活泼的含氧功能团赋予了石墨烯更为活泼的性能。
石墨烯相变材料论文
石墨烯相变材料的研究 摘要：随着热管理及热存储技术的发展，储热技术逐渐扮演着越来越重要的角色，于此同时寻找高性能的储热材料也成为了研究热潮。近年来，相变材料的发展为储热技术带来了福音，相比于其他热导率低，储热性能差的储热材料，相变材料有着天然的优势。而在相变材料中，石墨烯相变材料是如今发现的储热性能最优异的相变材料，通过将石墨烯作为填充材料，相变材料的储热能力大大提升。 关键词：热存储相变材料储热材料石墨烯 前言： 在热能的存储和利用过程中，常常存在于在供求之间在时间上和空间上不匹配的矛盾，如太阳能的间歇性，电力负荷的峰谷差，周期性工作的大功率器件的散热和工业余热利用等。相变储能材料通过材料相变时吸收或释放大量热量实现能量的储存和利用，可有效解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾。因此，相变储能技术被广泛应用于具有间歇性或不稳定性的热管理领域，如航空航天大功率器件的管理，周期性间歇式电子工作器件的散热，太阳能利用，电力的“移峰填谷”，工业废热余热的回收利用，民用建筑的采暖及空调的节能领域等。近年来，相变储能技术成为能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。相变储能材料具有储能密度大储能释能过程近似恒温的特点。但多数相变储能材料存在热导率低，换热性能差等缺点。采用具有高导热，低密度，耐腐蚀和化学稳定性好等优点的碳材料对其进行强化传热，可有效提高系统换热效率。常用的固-液定型相变储能材料实际上是一类复合相变材料，主要是由两种成分组成：一是工作物质；二是载体基质。工作物质利用它的固-液相变进行储能工作物质可以是各种相变材料，如石蜡，硬脂酸，水合盐，无机盐和金属及其合金材料。载体基质主要是用来保证相变材料的不流动性和可加工性，并对其进行强化传热。 石墨烯是一种新型碳材料，它具有由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状紧密堆积结构。它是构建其他维度炭质材料的基本单元。石墨烯本身具有非常高的导热系数，并兼具密度小，膨胀系数低和耐腐蚀等优点有望成为一种理想型散热材料。将石墨烯作为强化传热载体，有可能克服单一相变材料热导率低的缺点，缩短复合体系热响应时间，提高换热效率实现复合材料传热和储热一体化。 本文通过查阅大量文献以及亲自做实验得出了一些数据和结论。 正文 1.根据同济大学田胜力、张东、肖德炎、向阳等人2006年在《材料开发与应用》上发表的文章，他们对脂肪酸相变储能材料的热循环行为进行了系统的研究试验。试验选用了化学纯的癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和棕榈酸等四种脂肪酸为研究对象，利用差示扫描量热技术（DSC）测定了经过56次、112次、200次和400次反复热循环的相变材料的融化温度和融化潜热，加速热循环试验结果显示：癸酸融化温度范围变窄了4℃左右，肉豆蔻酸融化温度范围变宽了3℃左右，月桂酸和棕榈酸的融化温度范围变化不明显，其中以棕榈酸的融化温度变化最小。
石墨烯材料的研究进展论文
石墨烯材料的研究进展 摘要：石墨烯是近年被发现和合成的一种新型二维碳质纳米材料。由于其独特的结构 和新奇的物化性能，在改善复合材料的热性能、力学性能和电性能等方面具有很大的潜力，已成为纳米复合材料研究的热点。综述了石墨烯纳米复合材料的制备与应用研究进展，并对石墨烯纳米复合材料的发展前景进行了展望。 关键词：石墨烯；纳米复合材料；制备；应用 1，材料的基本情况 石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，是构成其它碳同素异形体的基本单元。石墨烯的理论研究已有６０多年的历史，一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。２００４年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用胶带反复剥离高定向热解石墨的方法，得到了稳定存在的石墨烯。石墨烯的出现颠覆了传统理论，使碳的晶体结构形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。 石墨烯的结构非常稳定。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。石墨烯是构成石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯碳同素异形体的基本单元。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高于碳纳米管和金刚石，石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂，石墨烯是世界上导电性最好的材料。 常温下其电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。 2，最热的应用合成 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域． 根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。最小最快石墨烯晶体管。2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%。 石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由
石墨烯纳米材料(论文)
《应用胶体化学》论文大作业 ——石墨烯纳米材料 姓名：杨晓 学号：200900111143 年级：2009级 2011-12-11
摘要：石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它自 2004 年发现被以来，成为凝聚态物理与材料科学等领域的一个研究热点。石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文简要介绍了石墨烯的性能特点、制备方法，着重对石墨烯纳米复合材料进行了介绍，对石墨烯纳米材料的制备方法、理化性质、国内外研究进展、石墨烯纳米材料的优缺点及应用前景进行了详细介绍。 关键词：石墨烯纳米材料复合物特性制备应用
目录 引言 (4) 一石墨烯纳米材料的理论与实际意义 (4) 二石墨烯纳米材料的国内外研究现状及比较分析 (5) 2.1 石墨烯纳米材料的国内外研究 (5) 2.1.1 国外研究 (5) 2.1.2 国内研究 (8) 2.2 石墨烯纳米材料的国内外研究比较分析 (11) 三文献中石墨烯纳米材料的研究方案 (11) 3.1 聚乳酸/ 纳米羟基磷灰石/ 氧化石墨烯(PLA/n-HA/GO)纳米复合膜的制备及生物性 (11) 3.1.1 实验试剂 (11) 3.1.2 PLA/n-HA/GO纳米复合膜的制备 (11) 3.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备及催化氧还原性能[43] (12) 3.2.1 试剂和仪器 (12) 3.2.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备 (12) 3.3 石墨烯的制备和改性及其聚合物复合的研究进展[44] (12) 3.3.1 石墨烯的制备 (12) 3.3.2 制备聚合物基复合材料 (14) 3.4 石墨烯/聚合物复合材料的研究进展[45] (14) 3.4.1 石墨烯的制备 (14) 3.4.2 石墨烯/聚合物复合材料的制备 (15) 3.5 石墨烯的合成与应用[46] (16) 3.5.1 微机械分离法（micromechanical cleavage） (16) 3.5.2 取向附生法———晶膜生长（eqitaxial growth） (16) 3.5.3 加热SiC的方法 (17) 3.5.4 化学分散法 (17) 四结合胶体理论与性质比较分析各种石墨烯纳米材料的优缺点 (17) 4.1 石墨烯 (17) 4.2 氧化石墨烯 (18) 4.3 石墨烯/无机物纳米材料 (18) 4.4 石墨烯/聚合物纳米材料 (18) 五展望石墨烯纳米材料的应用前景 (18) 参考文献 (20)
石墨烯材料简介
石墨烯材料简介 在构成纳米材料的众多元素中，碳元素值得我们格外重视。作为自然界中性质最为奇特的元素，碳（C）在原子周期表中的序号为六，属于第Ⅳ族。碳原子一般是四价的，最外层有4个电子，可与四个原子成键。但是其基态只有两个单电子，所以成键时总是要进行杂化。由于较低的原子序数，碳原子对外层电子的结合力强，表现出较高的键能，容易形成共价键，故自然界中碳元素形成的化合物形式丰富多彩。 关于碳与碳原子之间或碳与其它原子间以共价键相结合，有杂化轨道和分子轨道的理论。在形成共价键过程中，由于原子间的相互影响，同一个原子中参与成键的几个能量相近的原子轨道可以重新组合，重新分配能量和空间方向，组成数目相等的，成键能力更强的新的原子轨道，称为杂化轨道。在有机化合物中，碳原子的杂化形式有三种：sp3、sp2和sp杂化轨道。以甲烷分子（CH4）为例，碳原子在基态时的电子构型为1S22S22Px12Py12Pz0按理只有2px和2py可以形成共价键，键角为90°。但实际在甲烷分子中，是四个完全等同的键，键角均为109°28′。这是因为在成键过程中，碳的2s轨道有一个电子激发到2Pz轨道，3个p轨道与一个s轨道重新组合杂化，形成4个完全相同的sp3杂化轨道。每个轨道是由s/4与3P/4轨道杂化组成。这四个sp3轨道的方向都指向正四面体的四个顶点，轨道间的夹角是109°28′。得益于碳原子丰富多样的键合方式和强大的键合能力，氧、氢、氮等各种元素被有机的组合在一起，形成碳的化合物，最终构成了令人惊叹的生命体。 碳元素广泛存在于自然界，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。由于碳原子之间不同的杂化方式，能形成结构和性质迥异的多种同素异型体，其中最为人知的存在形式是金刚石和石墨。当每个碳原子与四个近邻碳原子以共价键结合（sp3杂化）时，形成各向同性的金刚石。此时，四个价电子平均分布在四个轨道中，形成稳定的σ键，而且没有孤电子对的排斥，非常稳定。因此金刚石是自然界中坚硬的材料。而当碳原子表现为sp2杂化时，碳原子在同一平面内与三个近邻原子以共价键结合；第四个价电子成为共有化电子：未经杂化的p轨道垂直于杂化轨道，与邻原子的p轨道成π键。当出现多个双键时，垂直于分子平面的所有p轨道就有可能互相重叠形成共轭体系，柔软的石墨和某些烷烃中的碳原子即以此形式存在。
纳米材料石墨烯
石墨烯 前言： 石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后纳米材料研究领域又一里程碑式的重大科学发现。2004年英国Manchester大学的Geim等Science上报道了单层石墨烯( graphene)的发现，石墨烯研究热潮的序幕就此拉开。至此，碳纳米家族中的零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯，加上此前早为人们所熟知的宏观碳晶体材料三维金刚石和石墨，所有维度上具有晶体结构的碳材料均已被人们所认识和发现。碳纳米材料在基础科学研究领域享有很高的关注度，1985年发现的富勒烯荣获1996年的诺贝尔化学奖，2010年石墨烯在其被发现的第6个年头就获得了诺贝尔物理奖，这些足以证明碳纳米材料发现和研究的重要科学意义。 石墨烯是碳原子以sp杂化连接的单原子层构成的二维原子晶体，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环结构，从结构上来看石墨烯可以看做是富勒烯、碳纳米管以及石墨等碳材料的基本组成单元，其通过包裹成球可以得到富勒烯，沿着固定轴旋转可以形成碳纳米管，多层石墨烯堆叠组装在一起就形成了石墨片。 石墨烯是单层原子厚度的石墨，当施加外力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列也保持结构稳定。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于石墨烯片平面内π轨道的存在，电子可在晶体中自由移动，使得石墨烯具有十分优异的电子传输性能。其还具有很多特殊性质，比如零能隙，反常的量子霍耳效应，朗道量子性等，吸引了国内外学者从凝聚态电子结构、输运性质到相对论的研究等众多方面的研究兴趣。 虽然石墨烯刚刚被发现不久，目前也已经有了一定的应用领域，但是制备石墨烯的方法都比较复杂，整个工艺过程很难控制，且只能生产少量的石墨烯纳米薄膜。虽然石墨烯作为工程材料具有很大的应用前景，然而如何有效方便地制备出高质量二维石墨烯纳米薄膜是发展研究和应用的关键所在。因此，应寻找一种快速的、可控的高质量石墨烯纳米薄膜的制备工艺。 正文 目前，石墨烯的制备手段通常可以分为两种类型：化学方法和物理方法。物理方法，是从具有高晶格完备性的石墨或者类似的材料来获得，获得的石墨烯尺度都在80 nm 以上。而化学方法是通过小分子的合成或溶液分离的方法制备的，得到石墨烯尺度在
石墨烯论文
关于石墨烯的研究 摘要：石墨烯是2004年才发现的新型材料，它是碳原子组成的平面结构。具有单一原子或几个原子的厚度。石墨烯因具有独特的电子结构。是迄今为止人类发现最早的二维电子系统。 关键词：石墨烯的制备：石墨烯特性：石墨烯结构：石墨烯应用 0引言： C是最神奇的元素，自然界中碳也是组成物质最多的元素，给人类带来了很多财富石墨也是人类最常见的材料。在科学界最热门的材料就是石墨烯。顾名思义，石墨烯与石墨有紧密的联系。我们知道，石墨是一类层状的材料，它是由一层又一层的二维平面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于层间的作用力较弱，因此石墨层间很容易互相剥离，形成薄的石墨片，这也正是铅笔能在纸上留下痕迹的原因。这样的剥离存在一个最小的极限，那就是单层的剥离，即形成厚度只有一个碳原子的单层石墨，这就是石墨烯。石墨Graphene）是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。石墨烯的理论比表面积高达2 600m2Pg ,具有突
出的导热性能( 3 000W·m- 1·K- 1 ) 和力学性能(1 060GPa) , 以及室温下较高的电子迁移率(15 000cm2·V- 1·s - 1 ) 。此外,它的特殊结构,使其具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列性质 ,因而备受关注。但长久以来，科学家们从理论上一直认为这种纯粹的二维晶体材料是无法稳定存在的，一些试图制备石墨烯的工作也均以失败而告终。直到2004年，英国曼彻斯特大学的A. Geim 教授及其合作人员凭借极大的耐心与一点点运气终于如大海捞针般首次发现了石墨烯。他们采取的手段与铅笔写字有异曲同工之妙，即通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开使得石墨片的厚度逐渐减小，最终通过显微镜在大量的薄片中寻找到了理论厚度只有0.34纳米（约为头发直径的二十万分之一）的石墨烯。 1石墨烯制备 2石墨烯的结构
高分子_石墨烯纳米复合材料研究进展
高分子／石墨烯纳米复合材料研究进展 高秋菊１，夏绍灵１，２＊ ，邹文俊１，彭 进１，曹少魁２ （１．河南工业大学材料科学与工程学院，郑州 ４５０００１；２．郑州大学材料科学与工程学院，郑州 ４５００５２ ）收稿：２０１２－０１－０９；修回：２０１２－０４－ ２４；基金项目：郑州科技攻关项目（０９１０ＳＧＹＧ２３２５８－ １）；作者简介：高秋菊（１９８４—），女，硕士研究生，主要从事高分子复合材料的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏｑｉｕｊ ｕ２００８＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ；＊通讯联系人，Ｔｅｌ：０３７１－６７７５８７２２；Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｏｌｉｎｇ ＿ｘｉａ＠ｈａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 摘要： 石墨烯以其优异的力学、光学、电学和热学性能，得到日益广泛的关注和研究。本文介绍了石墨烯的结构、性能和特点，并对石墨烯的改性方法进行了概括。本文着重综述了高分子／石墨烯纳米复合材料的研究现状和进展，并介绍了高分子／石墨烯纳米复合材料的三种制备方法，即原位插层聚合法、溶液插层法和熔融插层法。此外，还对高分子／石墨烯纳米复合材料的应用前景进行了展望，并对石墨烯复合材料研究存在的问题和未来的研究方向进行了讨论。 关键词：石墨烯；高分子；纳米复合材料；研究进展 引言 石墨烯是以ｓｐ２ 杂化连接的碳原子层构成的二维材料， 其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具 有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯比钻石还坚硬， 强度比世界上最好的钢铁还高１００倍［１］ 。石墨烯还具有特殊的电光热特性， 包括室温下高速的电子迁移率、 半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛 的应用前景［ ２］ 。石墨烯是一种疏松物质，在高分子基体中易团聚，而且石墨烯本身不亲油、不亲水，在一定程度上也限制了石墨烯与高分子化合物的复合，尤其是纳米复合。因而，很多学者对石墨烯的改性进行了大量的研究，以提高石墨烯和高分子基体的亲和性，从而得到优异的复合效应。 １ 石墨烯的改性方法 １．１ 化学改性石墨烯 该方法基于改性Ｈｕｍｍｅｒｓ法［３］ 。首先，由天然石墨制得石墨氧化物， 再通过几种化学方法获得可溶性石墨烯。其化学方法包括：氧化石墨在稳定介质中的还原［４］、通过羧基酰胺化的共价改性［５］ 、还原氧化石墨烯的非共价功能化［ ６］、环氧基的亲核取代［７］、重氮基盐的耦合［８］ 等。此外，还出现了对石墨烯的氨基化［９］、酯化［１０］、异氰酸酯［１１］ 改性等。用化学功能化的方法对石墨烯进行改性，不仅可以提高其溶解性 和加工性能，还可以增强有机高分子间的相互作用。１．２ 电化学改性石墨烯 利用离子液体对石墨烯进行电化学改性已见报道［１２］ 。用电化学的方法，使石墨变成用化学改性石 墨烯的胶体悬浮体。石墨棒作为阴极，浸于水和咪唑离子液的相分离混合物中。以１０～２０Ｖ的恒定电 · ７８· 第９期 高 分 子 通 报
石墨烯纳米材料及其应用
石墨烯纳米材料及其应用
石 墨 烯 纳 米 材 料 及 其 应 用 二〇一七年十二月
目录 摘要 (4) 1引言 (4) 2石墨烯纳米材料介绍 (4) 3石墨烯纳米材料吸附污染物 (6) 3.1金属离子吸附 (6) 3.2有机化合物的吸附 (7) 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用 (9) 4.1石墨烯基膜 (9) 4.2采用石墨烯材料进行膜改进 (10) 4.3石墨烯基膜在脱盐技术的应用 (11) 5展望 (12)
摘要 石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料 1引言 随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（Fig.1）。在石墨烯平面内，碳原子以六元环形式周期性排列，每个碳原子通过σ键与临近的三个碳原子
石墨烯和纳米碳材料的导热性能的研究
石墨烯和纳米碳材料的导热性能的研究 Alexander A. Balandin 近年来，在科学领域和工程领域，人们越来越多地去关注导热性能好的材料。散热技术已经成为电子工业持续发展的一个重要的话题，低维结构的材料在热传导方面显示出了优异的性能。就导热能力而言，碳的同素异构体及其衍生品占据了举足轻重的地位。在室温下的碳材料的导热系数跨越了一个非常大的围——超过了五个数量级——从导热系数最低的无定型碳到导热系数最高的石墨烯和碳纳米管。在这里，我回顾一下以石墨烯碳材料为热点的最近热性能的研究成果，碳纳米管和纳米级的碳材料在研究方面遇到了不同程度的难题。在二维晶体材料方面，尤其是石墨烯，人们非常关注尺寸对热传导的影响。我也描述了石墨烯和碳材料在电子传热机理上的应用前景。 实际生产应用和基础科学的发展表明了材料热性能研究的重要性。由于功耗散热水平的提高，导热技术已经成为电子工业持续发展的一个非常重要的热点。对导热性能非常好的材料的研究严重影响着下一代集成电路和3D电子产品的设计进程。在光电子和光子设备领域我们也遇到了类似的需要导热处理的问题。另外，电热能量转换技术需要材料具有很强的抑制热扩散的能力。 材料的导热能力由其电子结构决定，所以一种材料热性能原理可以描述另外一种材料的热性能现象。材料热性能的变化只是在纳米尺度上变化。由于声子散射边界的增多或者声子色散的变化，纳米管和大多数晶体将不再传热。同时，对二维和一维晶体的热传导理论的研究解释了材料在优异的热传导性能的原因。二维晶体导热性能的差异意味着不像非晶体那样，它恢复材料的热平衡不能仅仅靠晶体的非简谐振动，因为这不但需要限制系统的尺寸，而且还需要掺杂进非晶体结构，这样才能符合热传导性能的物理意义。这些发现引发了在低维系统中对傅里叶定律的实用性的非议。 碳材料具有非常多的同素异构体，在热性能方面占据了举足轻重的低位（如图， 1a）。碳材料不同的同素异构体的热传导率跨越了很大的一个围——五个数量级——非晶碳的热导率为0.01W. mK?1，在室温条件下金刚石或者石墨烯的热导率为大约2000W.
butyl(丁基橡胶)-石墨烯纳米复合材料
Study on Modi?ed Graphene/Butyl Rubber Nanocomposites.I.Preparation and Characterization Huiqin Lian,1,2,3Shuxin Li,1Kelong Liu,1Liangrui Xu,1Kuisheng Wang,2Wenli Guo1 1Department of Materials Science and Engineering,Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing,China 2Department of Materials Science and Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing,China 3Department of Chemical Engineering,Yanbian University,Beijing,China Butyl rubber,IIR nanocomposites based on modi?ed graphene sheets,were fabricated by solution process-ing followed by compression molding.MG was pre-pared from natural graphite,NG through graphite oxide route.X-ray diffraction showed that the exfoliated MG was homogeneously dispersed in the IIR matrix with doping levels of1-10wt%as evidenced by the lack of the characteristic graphite re?ection in the compo-sites.In contrast,the graphite retained its stacking order and showed the sharp characteristic peak in the NG-IIR composites.Scanning electron microscope images of the fracture surfaces of the IIR matrix showed that MG nano?llers exhibited better compati-bility than NG did.The mechanical properties of the MG-IIR nanocomposites were signi?cantly improved due to the ef?cient distribution of the large surface area MG sheet.The tensile modulus of nanocomposite with doping level of MG10wt%was16times that of the pure IIR.POLYM.ENG.SCI.,00:000–000,2011.a2011 Society of Plastics Engineers INTRODUCTION Commercial butyl rubber(IIR)is a copolymer of isobu-tylene and a small amount of isoprene.It is employed in the inner linings of automobile tires and in other specialty application due to its characteristics of chemical inertness, impermeability to gases and weatherability.However, unsaturated bonds in IIR,due to the presence of isoprene monomer units in the backbone,can be attacked by atmos-pheric ozone leading to oxidative degradation and chain cleavage.Also in some?elds,such as aerospace,aircraft and high-vacuum systems,IIR does not meet the extremely high-gas barrier as well as the high mechanical properties requirements.Therefore,there exists a continuous interest in lowering gas permeability and improving the mechanical properties of IIR by various techniques[1,2]. It is well known that polymeric nanocomposites are of great interest for both scienti?c challenges and industrial applications due to their enhanced mechanical properties and unique material properties[3–5].Compared with con-ventional systems,nanomaterials are more effective rein-forcements because the stress transfer from the matrix to the reinforcement is more ef?cient in nanocomposites due to the increased surface area,assuming good adhesion at the interface.Also,the crack propagation length at the interface becomes longer,improving the strength and toughness.In addition to improving the mechanical prop-erty,nano?llers,such as layered silicate or carbon nanotubes,can provide dramatic improvement in thermal stability,dimensional stability,heat-distortion tempera-ture,and barrier property[6–11].Recently,graphite oxide (GO)has attracted increasing interest as a?ller for poly-mer nanocomposites due to its high dispersive capacity, long coherence length and the barrier property[12,13]. GO with a typical pseudo-two-dimensional structure gen-erally contains hydroxyl,carboxyl and ether groups, which causes GO to absorb polar molecules easily and thus GO/polymer composites can be formed.Such struc-tural nanocomposites can provide reinforcement to the base polymer matrix.Also,GO may also have other desirable properties,such as mass diffusion coef?cients, coef?cients of thermal expansion,dielectric constants, thermal/chemical stability,solvent resistance,selectivity, conductivity,and resistivity to membrane fouling and poisoning.However,as a reinforcement of IIR,the hydro-philic surface of GO makes it dif?cult to disperse in the hydrophobic IIR matrix.Therefore,it is an important Correspondence to:Wenli Guo;e-mail:wlguo2008@https://www.docsj.com/doc/4b13367266.html, Contract grant sponsor:Natural Science Foundation of China(NSFC); contract grant number:51063009;contract grant sponsor:Beijing Natural Science Foundation of China;contract grant number: KZ200910017001. DOI10.1002/pen.21997 Published online in Wiley Online Library(https://www.docsj.com/doc/4b13367266.html,). V C2011Society of Plastics Engineers POLYMER ENGINEERING AND SCIENCE—-2011 Administrator